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微波辅助提取垂丝海棠花中多糖及其抗氧化研究



全 文 :137
微波辅助提取垂丝海棠花中多糖
及其抗氧化研究
卫 强,江敦清,纪小影,邱 镇,徐 飞
(安徽新华学院药学院,安徽合肥 230088)
摘 要:目的:优化垂丝海棠花中多糖的微波提取工艺。方法:在单因素实验的基础上,采用 Box-Behnken 中心组合实
验和响应面分析法,研究提取时间、微波功率、料液比对垂丝海棠花中多糖含量的影响,确立最佳提取工艺。同时,以
DPPH自由基清除能力、还原 Fe3 +能力、清除·OH能力为指标研究垂丝海棠花多糖的抗氧化活性。结果:垂丝海棠花中
多糖的最佳提取工艺为:微波提取时间 15min,液料比 30∶1(g /g) ,微波功率 3kW。抗氧化实验结果表明,在达到最大
浓度 0.96mg /mL时,垂丝海棠花多糖(微波)、垂丝海棠花多糖(煮沸)对 DPPH自由基的清除率依次为 69.8%、59.5%,
垂丝海棠花多糖(微波)、垂丝海棠花多糖(煮沸)对·OH自由基的清除率依次为80.1%、58.2%,对还原 Fe3 +能力较强。
显示垂丝海棠花多糖有一定抗氧化活性,且垂丝海棠花多糖(微波)较垂丝海棠花多糖(煮沸)活性强。结论:微波提
取垂丝海棠花中多糖较常规提取效率高,时间短,且抗氧化活性强。
关键词:垂丝海棠花,多糖,微波提取,Box-Behnken设计,抗氧化
Study on microwave-assisted extraction process of
polysaccharides and antioxidant activities from Malus halliana koehne
WEI Qiang,JIANG Dun-qing,JI Xiao-ying,QIU Zhen,XU Fei
(Pharmacology college,Anhui XinHua University,Hefei 230088,China)
Abstract:Objective:To select the optimized microwave - assisted extraction process of polysaccharides and
inspect its antioxidant activities from Malus halliana koehne.Method:Based on single- factor experiments,Box-
Behnken design and its response surface analysis,main factors of affecting polysaccharides yield such as
extraction time,power of microwave,the ratio between solvent and material were studied to find the optimal
process.Then,the DPPH·scavenging activity,Fe3 + reduction activity,·OH scavenging activity of polysaccharides
were studied to inspect its antioxidant activities.Result:The best extraction process was as follows:30 times of
water,extracting 15min by 3kW power of microwave. When polysaccharides reached the concentration of
0.96mg /mL,the DPPH clearance rat of polysaccharides(extracted by microwave) ,polysaccharides(extracted by
boiling method)was respectively 69.8%,59.5% .The clearance rat of free radical·OH of polysaccharides extracted
by microwave and boiling method was respectively 80.1% and 58.2% .Polysaccharides extracted by microwave
had better Fe3 + reduction activity.Conclusion:Compared with the traditional methods,microwave extraction method
has high efficiency and makes the extracted polysaccharides more bioactive.
Key words:flowers of Malus halliana koehne;polysaccharides;microwave - assisted extraction;Box - Behnken
design Saccharides;antioxidant
中图分类号:TS201. 2 文献标识码:A 文 章 编 号:1002-0306(2015)03-0137-06
doi:10. 13386 / j. issn1002 - 0306. 2015. 03. 020
收稿日期:2014-05-04
作者简介:卫强(1977-) ,男,硕士,副教授,主要从事药学教学与科研
工作。
基金 项 目:国 家 大 学 生 创 新 创 业 训 练 项 目 (201312216028,
201312216029) ;安徽省质量工程项目(2013gxk105) ;安
徽新华学院质量工程项目(2013gxkcx01)。
海棠为蔷薇科苹果属观赏植物,其种类有西府
海棠(Malus micromalus)、垂丝海棠(M.halliana)、楸
子(M.prunifolia)、湖北海棠(M.hupehensis)、三叶海棠
(M.sieboldii)等,因其花、果有观赏价值、环境适应能
力强而在园林景观中被广泛应用[1]。垂丝海棠(M.
halliana koehne)广泛分布于我国华东及西南地区,
安徽及我国各地均有栽培。其花入药能调经和药,
治崩漏[2]。
人类各种疾病中,90%以上起源于活性氧和氧
化应激而体内过多的氧自由基则对人体健康有破坏
行为,可导致人体正常细胞和组织的损伤,引起多种
疾病,如炎症、辐射损伤、肿瘤、帕金森病、老年痴呆
症和心脏病等[3-4]。多糖具有广泛的生物活性,而抗
138
氧化作用是一些多糖抗衰老、抑肿瘤、降血脂、降血
糖的作用机制之一[5]。国内学者已通过实验,证明垂
丝等 7 种常见观赏海棠果实提取物的多酚和黄酮类
成分具有较强的抗氧化作用[6]。本文对垂丝海棠花
中多糖类成分进行微波提取,并对其多糖成分抗氧
化进行初步研究,以期为进一步开发应用其丰富的
资源奠定基础。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
垂丝海棠花采自合肥植物园,经我院庆兆老师
鉴定为蔷薇科苹果属垂丝海棠(Malus halliana
koehne)的花。葡萄糖及其它试剂均为分析纯,水为
纯化水。
LDZ4-1.2 型低速离心机 北京京立离心机有限
公司;CNWB-C型微波萃取器 广州万程微波设备
有限公司;UV-4802 型紫外-可见分光光度计 美国
尤尼柯仪器有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 提取工艺 垂丝海棠花(5g)→干燥,粉碎→垂丝海
棠花粗粉→依次以石油醚、90%乙醇、60%乙醇超声提取→抽
滤,弃去滤液,残渣加水以微波浸提→浓缩→离心→Sevag 法
除蛋白→垂丝海棠花粗多糖→测定含量
1.2.2 提取方式 选取微波功率、提取时间、水与垂
丝海棠花的质量比(简称液料比,g /g)进行单因素实
验考察,选取提取时间、液料比、微波功率三个因素
进行 Box-Behnken 中心实验设计,以响应面法分析
最佳工艺。其因素、水平见表 1。
表 1 响应面分析因素与水平表
Table 1 Factors and levels of response surface methodolog
水平
因素
A提取时间
(min)
B液料比
(g /g)
C微波功率
(kW)
- 1 10 20 2
0 15 30 3
1 20 40 4
1.2.3 多糖含量测定 精密称取 0.5g 葡萄糖标准品
于 25mL 容量瓶中,以水溶解定容得到浓度为
0.25mg /mL的标准溶液。精密移取 0.3、0.5、0.7、0.9、
1.2、1.5mL葡萄糖标准液于 10mL 具塞试管中,加蒸
馏水至 2.0mL,取蒸馏水 2.0mL为空白对照,加入 5%
苯酚溶液 1.0mL,摇匀,迅速加入浓 H2SO4 5mL,室温
放置 5min,再于沸水浴中恒温 15min。取出,迅速置
于冰水中维持 10min,在 490nm 波长下测定吸光
值[7]。绘制标准曲线,计算含量。
垂丝海棠花多糖含量(mg /g)=粗多糖质量 /垂
丝海棠花质量
1.2.4 清除 DPPH自由基能力 精密称定 1,1-二苯
基-2-三硝基苯肼(DPPH)化合物 0.0192g,以甲醇溶
解,移入 250mL 容量瓶,得到浓度为 0.2mmol /mL 的
溶液,冰箱冷藏,备用。
分别精密称定垂丝海棠花多糖 0.05g,以 90%乙
醇溶解,定容至 25mL,再稀释至 5 组不同浓度的溶液
(mg /mL) ,分别取 1mL 稀释液,加入 1mL 上述浓度
为 0.2mmol /mL 的 DPPH 溶液,以 90%乙醇为空白,
避光反应 30min,于波长 517nm 下测定吸收度[8],以
下列公式计算清除率(SA1)
SA(%)= 1 -
Aa - Ab
A( )0 × 100
其中:Aa 表示样品溶液吸收度值;Ab 表示空白对
照组吸收度值;A0 表示对照组吸收度值。
1.2.5 还原 Fe3 +能力 采用普鲁士兰法测定样品还
原 Fe3 +能力。取 10mL 具塞比色管,依次加入不同浓
度的垂丝海棠花多糖溶液 2.0mL,磷酸盐缓冲液
(0.2mol /L,pH6.6)2mL 和 1% 的铁氰化钾 2mL,摇
匀,于 50℃水浴中反应 20min,加入 10%三氯乙酸
2.0mL,摇匀,离心 10min(2500r /min) ,取上清液
2.0mL,加入 2.0mL蒸馏水和 1%的三氯化铁 1.0mL,以
空白试剂为对照,在 700nm波长下测定吸收度值[9]。
1.2.6 清除·OH 自由基能力 参考文献[9],利用
H2O2 与 Fe
2 +产生·OH,·OH进一步与水杨酸反应,产
生有色产物,该有色成分在 510nm波长处有吸收。
固定反应时间,取相同体积的反应体系溶液
(8.8mmol /L H2O2 1mL,9mmol /L Fe
2 + 1mL,9mmol /L
水杨酸乙醇溶液 1mL) ,加入不同浓度的垂丝海棠花
多糖溶液,以蒸馏水为参比,与空白试剂作比较,于
510nm波长处测定吸收度值,以下列公式计算清除
率(SA2)
SA2(%)=
A0 - Ax
A( )0 × 100
其中:Ax 表示样品溶液吸收度值;A0 表示空白对
照组吸收度值。
1.2.7 数据统计与分析 垂丝海棠多糖提取采用
Design-Expert 8.0.6 统计软件进行 Box- Behnken 中
心组合实验设计和分析。抗氧化实验数据以
SPSS17.0 软件统计,组间数据进行 Cochran & Cox 近
似 t检验,p < 0.01 表示极显著,p < 0.05 表示显著。
2 结果与分析
2.1 单因素实验
2.1.1 提取时间多糖含量的影响 设定水与垂丝海
棠花的液固质量比为 20∶1,微波功率为 3kW,研究不
同提取时间(5、10、15、20、30、40min)对垂丝海棠花
多糖含量的影响,结果微波提取时间以 10~20min 含
量增加明显,20min之后含量增长缓慢。见图 1。
2.1.2 微波功率对多糖含量的影响 固定水与垂丝
海棠花粉的液固质量比 20 ∶1,提取时间 10min,研究
不同微波功率(0.5,1,2,3,4,5kW)对多糖含量的影
响,结果微波功率以 2~4kW含量较高,见图 2。
2.1.3 液料比对多糖含量的影响 固定提取时间
10min,微波功率为 3kW,研究不同液料比对多糖含
量的影响。结果液料比(5∶1,10∶1,20∶1,30∶1,40∶1,
139
图 1 提取时间对多糖含量的影响
Fig.1 Effect of extracting time
on the extraction rate of polysaccharide
图 2 微波功率对多糖含量的影响
Fig.2 Effect of microwave power
on the extraction rate of polysaccharide
50∶1,g /g)以 20∶1~40∶1 时含量较高。见图 3。
表 3 回归分析结果
Table 3 The results of variance analysis
方差来源 平方和 自由度 均方 F值 p > F 显著性
A 4.977013 1 4.977013 1060.389 < 0.0001 **
B 0.2738 1 0.2738 58.33511 0.0001 **
C 0.117613 1 0.117613 25.05821 0.0016 **
AB 0.156025 1 0.156025 33.24228 0.0007 **
AC 0.1849 1 0.1849 39.39431 0.0004 **
BC 1.836025 1 1.836025 391.1787 < 0.0001 **
A2 3.346409 1 3.346409 712.9772 < 0.0001 **
B2 2.858846 1 2.858846 609.0983 < 0.0001 **
C2 2.738704 1 2.738704 583.5011 < 0.0001 **
模型 0.032855 7 0.004694
失拟项 0.007575 3 0.002525 0.399525 0.7615
总误差 15.57 16
2.2 响应面分析
2.2.1 实验设计与结果 以 A、B、C 为自变量,以垂
丝海棠花中多糖含量为响应值,实验结果见表 2。以
Design-Expert 8.0.6 统计软件对实验结果进行多元回
归拟合,见表 3。
由表 3 可知,提取时间,提取时间等三个因素的
二次项,提取时间与料液比交互项 p 值均小于 0.01,
说明对含量的影响极显著,对多糖含量有显著性影
响。失拟项检验(lack of fit)p值显示不显著,表明模
型充分拟合,受其他因素影响小。
图 3 液料比对多糖含量的影响
Fig.3 Effect of the ratio between solvent
and material on the extraction rate of polysaccharide
表 2 响应面分析设计及实验结果
Table 2 Response surface methodology
and the results of the experiments
实验号
编码水平
A B C
多糖含量
(mg /g)
1 - 1 0 1 26.82
2 - 1 - 1 0 26.96
3 1 0 1 24.56
4 - 1 0 - 1 24.01
5 1 - 1 0 26.92
6 0 0 0 24.37
7 0 1 - 1 26.02
8 0 1 1 27.04
9 1 0 - 1 26.35
10 0 - 1 - 1 26.95
11 0 - 1 0 26.01
12 - 1 1 0 25.68
13 0 0 0 24.91
14 0 0 0 25.95
15 0 0 0 26.04
16 0 0 0 24.35
17 0 0 0 24.83
经显著性检验,该模型的相关系数 R2 = 0.9981,
说明该模型与实际实验拟合较好,自变量与响应值
140
线性关系显著。得到如下回归方程:
R1 = 26.94 + 0.79A + 0.19B + 0.12C - 0.20AB +
0.22AC-0.68BC-0.89A2-0.82B2-0.81C2
根据回归分析结果,作出相应曲面图,如图 4 所
示。从响应面分析图上可以找出最佳参数以及各参
数之间的相互作用。
图 4 各两因素交互作用对垂丝海棠花中
多糖提取的响应曲面
Fig.4 Response surface for the interactions on the
extraction yield of polysaccharide from the
flowers in Malus halliana koehne
根据回归分析结果,作出相应曲面图,如图 4 所
示。三组图直观地反映了各因素对响应值的影响。
响应面图是响应值 Y 对应于实验因素 A、B、C 所构
成的三维空间曲面图及其在二维平面上的等高线
图,响应面可直观反映三个因素之间及两者之间的
交互作用对响应值的影响[10]。等高线的形状可反映
出交互效应的强弱,椭圆形表示两因素交互作用显
著,而圆形则与之相反[11]。结合表 3 的 p 检验值,由
图 4a可知,液料比和提取时间交互作用为极显著水
平(p < 0.01) ,等高线椭圆形;当微波功率固定,随着
液料比和提取时间的增加,多糖含量呈现先快速提
高后快速减小的趋势,提取时间对多糖含量呈现较
明显的影响。从等高线上看,提取时间在 18min,液
料比在 30∶1 附近值对提高含量有重要影响。由图
4b可知,微波功率和提取时间交互作用为极显著水
平(p < 0.01) ,等高线椭圆形;当液料比固定,随着微
波功率和提取时间的增加,多糖含量呈现先快速提
高后快速减小的趋势,提取时间对多糖含量呈现较
明显的影响。从等高线上看,微波功率在 3kW,提
取时间 15min 附近值对提高含量有重要影响。由
图 4c可知,微波功率和液料比交互作用为极显著
水平(p < 0.01) ,等高线椭圆形;当提取时间固定,
随着微波功率和液料比两个因素的增加,多糖含量
呈现先快速提高后缓慢减小的趋势,表明当微波功
率 3kW,液料比 30 ∶1 附近值对多糖含量影响相对
较小。
2.2.3 验证性实验及提取方法比较 对实验模型进
行分析,垂丝海棠花多糖提取最优工艺参数为:提取
时间 15min,液料比 30∶1,微波功率 3kW,此最优工艺
下垂丝海棠花粗多糖含量理论值为 27.94mg /g。采
用优化提取条件进行多糖的工艺验证实验,测得垂
丝海棠花多糖平均含量为 27.78mg /g(n = 3,RSD =
1.28%) ,与理论预测值相比,相对误差较小。
根据实验摸索,称取药材 5g,以水煮沸提取 3 次
(2,1,0.5h) ,液料比为 30∶1。同时称取药材 5g,以微
波最佳工艺进行提取。两种提取液经 1.2.1 纯化,分
别得到水煮沸法提取多糖[以下简称“垂丝海棠花多
糖(煮沸)”]和微波提取多糖[以下简称“垂丝海棠
花多糖(微波)”],按照 1.2.3 项下测定含量,结果见
表 4。
表 4 不同提取方法下的垂丝海棠花多糖含量比较(n = 3)
Table 4 Comparison of polysaccharide determination
in two different extracting methods(n = 3)
方法 提取次数 多糖含量(mg /g,珔X ± SD)
微波提取 3 次(15、30、15min) 63.16 ± 0.42
煮沸法提取 3 次(2、1、0.5h) 52.17 ± 0.38
由表 4 可知,微波 3 次提取的垂丝海棠花多糖平
均含量为 63.16mg /g,与传统的水煮沸法提取相比,
具有时间短、提取效率高的特点。
2.3 体外抗氧化活性测定
2.3.1 对 DPPH 的自由基清除能力 以维生素 C
(VC)为对照,建立对 DPPH 的自由基清除率与浓度
的回归方程,根据回归方程计算清除率 50%时的样
品浓度,结果见表 5 和图 5 所示。
由表 5 可知,以 DPPH的自由基清除能力进行比
较,垂丝海棠花多糖(微波、煮沸)比 VC 对强,有极显
著性差异(p < 0.01) ;垂丝海棠花多糖(微波)较垂丝
海棠花多糖(煮沸)强,有极显著性差异(p < 0.01)。
由图 5 可知,随着垂丝海棠花多糖和 VC 浓度的增
加,对 DPPH的清除能力逐步增强。从整体的清除率
来看,垂丝海棠花多糖(微波)最高,垂丝海棠花多糖
(煮沸)和 VC 次之。在达到最大浓度 0.96mg /mL时,
垂丝海棠花多糖(微波)、垂丝海棠花多糖(煮沸)和
VC 的对 DPPH 的清除率依次为 69.8%,59.5%,
141
表 5 垂丝海棠花多糖对 DPPH的自由基清除能力
Table 5 DPPH scavenging activity of polysaccharide from the flowers of Malus halliana koehne
样品 回归方程 R2 IC50(mg /mL,珔X ± SD,n = 5)
垂丝海棠花多糖(微波) Y =65.76X + 5.786 R2 = 0.994 0.672 ± 0.031ΔΔb
垂丝海棠花多糖(煮沸) Y =57.91X + 3.853 R2 = 0.989 0.797 ± 0.024b
VC Y = 47.91X + 8.453 R2 = 0.988 0.867 ± 0.020
注:垂丝海棠花多糖(微波)、垂丝海棠花多糖(煮沸)与 VC 相比,
bp < 0.01;垂丝海棠花多糖(微波)与垂丝海棠花多糖(煮沸)
相比,ΔΔp < 0.01。
表 6 垂丝海棠花多糖对·OH自由基清除能力
Table 6 ·OH scavenging activity of polysaccharide from the flowers of Malus halliana koehne
样品 回归方程 R2 IC50(mg /mL,珔X ± SD,n = 5)
垂丝海棠花多糖(微波) Y =63.03X + 20.86 R2 = 0.995 0.462 ± 0.146Δb
垂丝海棠花多糖(煮沸) Y =53.03X + 4.800 R2 = 0.981 0.852 ± 0.158a
VC Y = 37.14X + 5.533 R2 = 0.951 1.197 ± 0.085
注:垂丝海棠花多糖(微波)、垂丝海棠花多糖(煮沸)与 VC 相比,
ap < 0.05,bp < 0.01;垂丝海棠花多糖(微波)与垂丝海棠花多糖
(煮沸)相比,Δp < 0.05。
图 5 垂丝海棠花多糖对 DPPH的自由基清除能力
Fig.5 DPPH scavenging activity of polysaccharide
from the flowers of Malus halliana koehne
54.6%。
2.3.2 不同提取工艺的还原 Fe3 +能力比较 结果见
图 6 所示。
图 6 垂丝海棠花多糖 Fe3 +还原能力
Fig.6 Fe3 + reduction activity of polysaccharide
from the flowers of Malus halliana koehne
由图 6 可以看出,随着垂丝海棠花多糖浓度增
大,其吸光度值增加,对 Fe3 +还原能力增强。但是,
从整体吸收度增加值来说,垂丝海棠花多糖(微波)
较垂丝海棠花多糖(煮沸)具有更高的还原能力。与
VC 相比,在浓度 0.64mg /mL 前后,垂丝海棠花多糖
(煮沸)呈现先强后弱的趋势。
2.3.3 不同提取工艺的清除·OH 自由基能力比较
结果见表6和图 7 所示。
图 7 垂丝海棠花多糖清除·OH自由基能力
Fig.7 ·OH scavenging activity of polysaccharide
from the flowers of Malus halliana koehne
由表6可知,比较清除·OH 自由基能力,垂丝海
棠花多糖(微波、煮沸)比 VC 对强,有极显著性或显
著性差异(p < 0.01 或 p < 0.05) ;垂丝海棠花多糖(微
波)较垂丝海棠花多糖(煮沸)强,有显著性差异(p <
0.05)。由图 7 可看出,垂丝海棠花多糖清除·OH 能
力强于 VC。随着垂丝海棠花多糖浓度的增加,清除
·OH自由基能力也逐步增强,在达到最大浓度
0.96mg /mL时,垂丝海棠花多糖(微波)、垂丝海棠花
多糖(煮沸)对·OH 自由基的清除率依次为80.1%,
58.2%。但是,从整体清除率增加的平均值来说,垂
丝海棠花多糖(微波)较垂丝海棠花多糖(煮沸)具有
更高的清除·OH自由基能力。
3 结论
本实验以微波提取垂丝海棠花中多糖,可发挥
微波的瞬间破壁能力,具有提速、增效的优点,得到
的最佳工艺为:微波提取时间 15min,液料比 30 ∶ 1
(g /g) ,微波功率 3kW,得到垂丝海棠花多糖平均含
量为 26.78mg /g。根据多糖抗氧化研究结果,与常规
煮沸法进行比较,显示垂丝海棠花中多糖具有明显
的抗氧化活性作用,且微波提取比煮沸提取得到的
活性更强。其原因可能是由于多糖经过煮沸法提取
(下转第 150 页)
150
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51-59.
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后,高温破坏结构,致使其活性降低所致。但是,限
于本实验为体外抗氧化研究,尚未阐明其抗氧化机
制,有待进一步探索和研究。
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